在低负荷；室内供风减少时，由于通风效益降低，将促使人员活动区域(Occupied Zone)之室内污染浓度增高，此现象可藉助增加再循环回风来提升IAQ。
    台湾室外空气污染严重，尤其是悬浮微粒，因此若想以通风换气来降低室内CO2浓度时，须先考虑对室外空气作清净处理。
    由于台湾平均办公室之人员密度(约14人/100┫)较ASHRAE Standard 62-1989之设定人员密度(7人/100┫)，高出一倍左右，且一般办公大楼之通风效益约为0.5～0.65，若仅依规范中换气率(VR)程序的每人换气量由原先5cfm/人提升至20cfm/人，除将使空调耗能增加40％外，对IAQ改善效果亦将不如预期显著。
由本文之研究可了解，影响IAQ成效之重要因素首推通风效益，其次为通风换气量，滤网效率及其摆设位置。因此，如何选用适切供风出风口，供、回风口摆设位置、距离及室内格局等因素均将影响通风效益之好坏。

 

    一、前言
　　自1970年代能源危机的冲击，使得设计师基于能源上的考量，把现代的大楼设计成高气密性，以期因室内外气体的泄漏或渗透造成的空调负荷增加，减至最低程度。许多大楼业主为了降低能源消耗，则尽量减少空调换气率，甚至不换气，只作室内循环处理。空调系统在此低换气率的情况下运作，加上现代建筑大量采用的人工建材、室内装潢、事务机器等会散发出有害物质(如：氡、甲醛、挥发性有机气体)，以及空调设备(如：滤网、风管、水盘)所滋生的微生物或细菌等，增加了室内污染物浓度，长期下来的结果，由于室内空气品质不佳，容易造成如病态大楼症候群(Sick Building Syndrome)、传染或过敏等问题。

　　许多研究显示二氧化碳适宜作室内空气品质指针，因为二氧化碳是由人们呼吸吐出，它在空气中的浓度恰当地代表了室内空气流动性及通风系统稀释与祛除污染物的效率。表l是不同的CO2浓度与病态建筑症候之关系，CO2并非引起抱怨的因，只是以CO2来代替其它污染的量测，例如：微粒物、及臭气等，这些污染物浓度会因缺乏供应足够新鲜空气的稀释而累积，这些污染物累积与其它化学、物理因素物如：温、湿度共同作用引起上述的不适症候。因此，CO2浓度尤其是高于1000ppm时，是一种指标显示通风换气可能有待改善。除二氧化碳之外，监测温、湿度亦能对IAQ的改善提供必要信息，温度量测可显示通风系统的平衡或控制问题，而湿度则会改变许多室内污染物的释放量、在空气中的浓度、以及微生物生长的潜伏性，两者都直接影响工作者的舒适性及健康。

表1 二氧化碳浓度与病态症候之关系

CO2浓度 低于600ppm 600~1000ppm 高于1000ppm

症候 无 偶尔抱怨头病、昏睡、闷热 以上之抱怨频繁

　　另外，空气系统除了提供适当的温度、湿度及空气分布外，也必须将室内污染物控制在合理范围内，以维持IAQ和人体健康。但是，控制室内空气品质会直接影响空调耗能，例如增大换气量会导致空调负荷增加，据统计美国国内空调能源花费中，每年约800亿美金是用于制冷与送风，其中换气处理耗能约占50～60％，如果通风换气系统能获得适切的改善，则不仅室内可获得较佳之空气品质，每年更可省下20亿美金之耗费。因此，如何兼顾IAQ与空调节能遂成为本文研究之重点。
表2 ASHRAE STANDARD 62 换气率程序历年之比较

场所	1973		1981		1989
	最小	推荐	不吸烟	吸烟
餐厅 酒吧鸡尾酒廊 旅馆会议室 办公室 办公室会议室	10 30 20 15 25	15-20 35-40 25-30 15-25 30-40	7 10 7 5 7	35 50 35 20 35	20 30 20 20 20
零售店 美容院 舞　场 观众席 戏院大厅	7 25 15 20 5	10-15 30-35 20-25 25-30 5-10	5 20 7 7 7	25 35 35 35 35	0.02-0.30b 25 25 15 15
候车室 教　室 病　房 住　宅 吸烟室	15 10 10 5 -	20-25 10-15 15-20 7-10 -	7 5 7 10 -	35 25 35 10 -	15 15 15 0.35C 60
注	a.10cfm-5L/S b.本值单位为cfm/ft^2 地板面积(1 cfm/ft^2=5L/┫) c.住宅通通换气单位为：cfm/人(1973)，cfm/room(1981)， 每小时换气次数(1989)

　　为了因应能源危机，减少通风换气次数(量)始终被空调设计者视为最简便的节能方法之一。美国冷冻空调学会(ASHRAE)于1973年为各种空间订出最低的换气需求，这项标准在70年末期能源危机前表现极为称职，所以ASHRAE Standard 62-1975则沿袭它的标准。但到了1981年，ASHRAE Standard 62-1981为了同时能处理IAQ及通风换气问题而做了修正，在1989年又修正一次，并于1992年4月通过成为美国国家标准，此即为ASHRAE Standard 62-1989。表2是62-1989规范之换气率(Ventilation Rate，简称VR注)程序所需之外气量与由62-1981规范值作一比较，有关办公室方面最低换气量之建议值，已从62-1981之5cfm/人修改为20cfm/人，以控制IAQ，同时确保室内CO2浓度不超过1000ppm。然而，我国目前依行政院劳委会1991年公布的劳工作业环境测定实施办法草案中，制定室内CO2浓度上限值仍为5000ppm较62-1989规范值高出近4倍强，因此为顾及室内工作人员的健康与工作效率，此上限值实有修改之必要。另外，62-1989规范中也强调；所引用之外气须符合美国环保署(EPA)制定的环境空气品质规范(参见表3)，否则须先对外气作污染物净化处理。
表3 室外空气品质标准U.S EPA美环保署发布

污染物	长时间/浓度		时间	短时间/浓度		时间(hr)
	μ/┫	ppm		μ/┫	ppm
SO2 微粒 CO2 CO 臭氧(ozone) NO2 铅(lead)	80 75 　 　 　 100 1.5	0.03 - 　 　 　 0.055 -	1年 1年 　 　 　 1年 3个月	365 260 40,000 10,000 235	0.14 - 35 9 0.12	24 24 1 8 1

　
　

二、研究内容
　　为了维持良好的室内空气品质，须引入适当的新鲜外气，但是引入新鲜外气会造成空调负荷的增加，导致能源费用增加。空气换气耗能会因地域性差异而不同，根据Eto对美国13个城市所做的研究指出；以每人20cfm之换气量将比每人5cfm之换气量增加全年空调耗能l～13.5％的比率。而在台湾地区夏季换气负荷可高达全年空调负荷的40％以上，根据能委会研究案例资料显料；若是外气引入量由5cfW/人提高到2Ocfm/人，以符合ASHRAE Standard 62-1989之要求时，全年空调换气耗能会增加2.8倍，而空调总耗能将增加40％左右。因此，在依VR程序引入外气时，若能做全热换气回收处理将是个很值得采行的方案，ASHRAE为改善此一换气耗能问题，建议空调设计者引用－IAQ省能空调系统(如图l所示)。此一空调系统之特色为：(1)使用空气清净装置，在回风处清除污染物，利用这经处理后之再循环回风与外气混合，供风至室内，以减少外气之需求量，即降低换气所需之空调耗能。(2)使用能源回收装置来进行空调换气热回收。在排气出口与外气入口处，加装一能源回收机构，利用空气对空气之显、潜热交换作用，将引入之新鲜外气预冷、降湿，以减少空调主机之换气耗能。(3)对室内有特别严重之污染物产生源区域，建议作个别隔间并采行单独排、换气处理，以降低室内污染浓度。
　　ASHRAE 62-1989规范中，建议使用VR程序对室内污染物浓度提供适切稀释，以达到可接受之室内空气品质，而这些换气量只适用于没有特殊污染源出现且供风与室内空气须完全混合，即通风效益为1之情况下。当建筑物内产生的污染物有更多不同种类且超乎预期时，VR程序将无法再满足室内空气品质之要求。IAQ 程序即是在解决这非确定性的情况，经由提供适切外气量以限定所有已知污染物浓度于规定之容许范围内。
 
　　ASHRAE 62-1989规范的附录E是介绍采用IAQ程序达到室内空气品质的方法，图2即为IAQ程序增加再循环回风之应用，以减少外气之使用量，但仍能维持良好的室内空气品质。表4乃为应用图2之处理程序；分别对滤网在A或B位置、变风量(VAV)或定风量 (CAV)、及外气量成比例或固定等7种情况，推导出所需之外气量(Uo)、室内污染物浓度(Cs)、及回风量(Vr)等关系式。因此，运用表4之IAQ程序注，不但可验证VR程序之外气量是否能维持室内空气品质，并且可允许空调设计师任意地使用外气量，碉要能证实室内污染物浓度低于建议值即可。所以IAQ程序在无特殊污染源出现时，其所需之外气将可能较VR程序为低，然而若有特殊污染源出现时也可告知系统增大外气量以因应之。
 
　　利用空气清净装置增加再循环回风使用比例的作法，可将清净装置摆设于再循环回风管路(A位置)上，或供风管路(B位置)上，若是须祛除之污染物皆来自空调区间(如：微粒、灰尘、烟及其它呼吸颗粒)，则将清净器放置于A位置，直接净化再循环回风会比较有效，但是如果外气也是－污染源时，则将清净器装设于B位置上较为恰当。
表4 结合再循环与空气过滤作用时之所需换气量与室内污染物浓度

(摘自：ASHRAE 62-1989规范表E-1)

分类	需要之再循环量				需求之换气量	室内污染物浓度	需要之再循环量
	滤网位置	供风型态	温度	外气量
Ⅰ	无	VAV	固定	100％	Vo＝N/(EvFr(Cs-Co))	Cs＝Co+N/(EvFrVo)	不适用
Ⅱ	A	定风量	变动	固定	Vo＝N-EvRVfEfCs/Ev(Cs-Co)	Cs＝N+EvVoCo/Ev(Vo+RVfE1)	Vf＝N+EvVo(Co-Cs)/EvFrREfCs
Ⅲ	A	VAV	固定	固定	Vo＝N-EvFFRVfEfCs/Ev(Cs-Co)	Cs＝N+EvVoCo/Ev(Vo+FrRVfE1)	Vf＝N+EvVo(Co-Cs)/EvFrREfCs
Ⅳ	A	VAV	固定	成比例	Vo＝N-EvFrRVfEfCs/EvFr(Cs-Co)	Cs＝N+EvFrVoCo/FrEv(Vo+RVrEf)	Vf＝N+EvFrVo(Co-Cs)/EvFrREfCs
Ⅴ	B	定风量	变动	固定	Vo＝N-EvRVfEfCs/Ev[Cs-(1-Ef)Co]	Cs＝N+EvVo(1-Ef)Co/Ev(Vo+RVfEf)	Vf＝N+EvVo[(1-Ef)Co-Cs]/EvREfCs
Ⅵ	B	VAV	固定	固定	Vo＝N-EvFrRVfEfCs/Ev[Cs-(1-Ef)Co]	Cs＝N+EvVo(1-Df)Co/Ev(Vo+FrRVfEf)	Vf＝N+EvVo[(1-Ef)Co-Cs]/EvFrREfCs
Ⅶ	B	VAV	固定	成比例	Vo＝(N-EvFrRVfE1Cs)/EvFr[Cs-(1-E1)Co]	Cs＝N+EvFrVo(1-E1)Co/EvFr(Vo+RVfEf)	Vf＝N+EvFrVo[(1-E1)Co-Cs]/EvFrRfCs

　　供风在室内的混合程度会影响室内产生之污染物在回风中的污染浓度。许多建筑物之空调设计将供风与回风口都装设在天花板上，若气流出口速度不够快而沿着天花板流动，会造成部份供风在人员活动区上方直接流入回风管路，即所谓短路(Short- Circuiting)现象(参见图3)，这些旁通气流将稀释回风中之污染物，使回风污染物浓度较活动空间之污染物浓度为低，如果部份回风将之排出不用，则会造成换气之浪费。因此，通风效益(Ev)提升对改善IAQ及空调耗能问题上有绝对重要之影响。
 
　　通风效益(Ventilation Effectiveness)的定义为外气可送至人员活动空间之比率。如果以S表示空气由供风出口直接流入回风口，未经室内混合的比率，R为回风再循环的比率，则我们可用下式来表示通风效益Ev；
Ev＝1-S/1-R．S
　　Janssen曾作一实验，将一房间的出风口装置于天花板高度的墙壁上，而回风口也装在相同高度，但在对边墙上，使用追踪SF6作量测，结果发现约有50％的供风直接自出风口流入回风口，同时他也发现供风会有一段距离是贴着天花板行进。一般通风效益较佳的设计是供风口装在天花板上，而回风口则尽量低，甚至接近地板，例如电子无尘室即是供风在室内完全混合(Ev=l)之场所。另外，供、回风口的相对位置分布亦须适当，以避免滞流区(dead spaces)的出现造成某一区域空气品质特别差之情况发生。如果室内有装设格板且供、回风口均装在天花板上时(如办公室)，一般通风效益约只有0.5～0.65，也就是说约有35～50％的供风未送达室内即直接流入回风管中，这现象对IAQ及送风耗能皆有不良之影响。
　　换气能补充室内消耗掉之氧气，并稀释室内污染物至可接受之程度，然而外气品质也将影响IAQ之好坏。依据环保署76～79年对台湾地区19处空气品质监测站之监测结果显示：室外空气污染指标(PSI)值＞100者(不良及有害)的比率占16％左右，而其中以悬浮微粒为最主要之污染物，一氧化碳次之，这显示台湾地区的室外空气品质有待改善。如果我们以外气的主要污染物－悬浮微粒之浓度标准而言，可接受之浓度值为：长期须低于50μg/m^3，短期(24小时)则须低于150μg/m^3。
　　本文将针对办公大楼室内空气品质之改善作分析例探讨，并分别讨论滤网效率(Ef)、通风效益(Ev)、及每人所需换气量(Vo)等因素对室内污染物浓度(Cs)之影响。我们将举一案例分析，而过滤之污染物则以PMlO微粒为基准，假设应用场合为办公大楼之一研讨室，系统采用表5，classⅦ之设计，负荷分成全负荷(100％)与半负荷(50％)二种情况作讨论。
　　首先由供风之质量平衡关系(参见图2)可得；
Fr．VS＝Vo+R．Vr　　(2)
再由人员活动区之污染物质量平衡得；
Vo＝N-Ev．Fr．R．Vr．Ef．Cs/Ev．Fr[Cs-(1-Ef)Co]　　(3)
假设室内污染物产生量为；
N＝(n．x/x1+k．Fr．Vs)/V　　(4)
其中
Vs：供风量，(CMM)
Vo：外气量，(CMM)
Vr：回风量，(CMM)
N：室内污染物产生量，(μg/m^3.min)
n：室内人员轻微工作时微粒子产生量，约2000μg/hr.
x：室内人员数，(人)
Xt：预估设计室内最大人员数，(人)
V：室内空间，(m^3)
k：事务机器粉尘产生量，(μg/m^3)
　　至于，室内污染物浓度(Cs)与再循环环回风量(R.Vr)，可由表4，class Ⅶ所示之公式求得。
表5 负荷变动对IAQ之影响(计算值)

三、结果与讨论
　　Bayer等人研究全热交换系统能否提供更健康的室内环境。结果发现，换气量20cfm/人所提供之空气品质确实比5cfm/人的好，而在同样2Ocfm/人之换气量下，全热交换器有无操作，对室内空气品质无明显影响。因此认为实施换气以改善室内空气品质时，确实可利用全热交换器来节约能源。研究结果并且认为办公大楼空调系统的改善与操作，应以提供适当的换气率为遵循之原则。
　　在探讨Ev、Ef及Vo对室内空气品质之影响上，如前述之假设并设定其实际数值如下：
1. 室内面积：60┫
2. 人数(p)＝30人(100％)，21人(50％)
3. 再循环率(R)＝0.51
4. 供风量(Vs)＝5lCMM(1800cfm)
5. 室外污染物浓度(Co)＝100μg/m^3
6. 通风效益(Ev)＝0.8
7. 滤网效率(Ef)＝0.5
　　利用前述之公式与上述数值，首先藉由IAQ程序印证VR程序之换气量，是否能满足室内空气品质之要求，计算结果如表5所示。图4、5、6则分别为滤网效率、通风效益及换气量等因素，对室内污染物浓度之影响。
　　由表5可知；在100％负荷时，以IAQ程序所需之外气量为l5cfm/人，即可满足室内空气品质之要求(Cs＝118.8μg/m^3)，而不须使用2Ocfm/人之外气量，以节省能源耗费。但当室内人数降低至50％负荷时，每人所需之外气量提高到20.6cfm/人，约与 VR程序的要求量相同，此时Cs为141.1μg/m^3。因此，我们可藉由IAQ程序验证VR程序之换气量可否满足室内空气品质之要求，同时利用再循环回风以减少所需之外气量。
　　图4是在不同换气量时Ef与Cs之曲线关系。由此图可获致下列结果： 
 1. 100％负荷且Ef介于55～l00％时，Cs几乎与每人所需外气量无关，但Cs会随Ef的增高而降低。
2. 100％负荷且Ef介30～55％时Cs随Vo及Ef的增加而减少。
3. 50％负荷且Ef介于30～32％时，Cs几乎与每人所需外气量无关。
4. 50％负荷且Ef介于32～100％时，Cs随Ef的增加而减少，但随Vo增加而升高，此现象与全负荷且低滤网效率之结果相反，分析其原因乃是当全负荷(100％)且Ef＞55％以上时，因供风量大且滤网效率佳，供风之污染物可被有效捕捉，室内污染物浓度的变化则与室内污染物产生量(N)有绝对的关系，且因供风量大，司将污染物浓度稀释至较低之程度。但当半负荷(50％)时，由于室内供风量只剩一半，室内污染物浓度之稀释效果降低，同时又因外气量比率增大，由室外带入之污染物量将增高，使得Cs随之升高。
　　由图4也可了解在负荷变动时，Cs随Ef变化之情形，例如：在100％负荷且Vo＝l5cfm/人时，当Ef由45％升高到80％，则Cs将从121.1μg/m^3降低至73.4μg/m^3。而在50％负荷Vo＝l5cfm/人时，当Ef由45％升高到80％，则Cs将从152.8μg/m^3大大地降低到94.Oμg/m^3。因此，在室内负荷愈小时Ef对Cs之影响将愈显重要。上例中，在50％负荷且Ef＝45％时Cs值已超出150μg/m^3之设定值，故在不更动设备下应考虑以增大再循环风量来改善此情况。
　　其次，我们将探讨通风效益(Ev)对Cs的影响。图5是假设Ef＝O.5，在不同负荷、不同外气需求量时Ev与Cs之曲线关系。由图中可知；在100％与50％负荷时，Cs将随Ev值的升高而显著地改善Cs。在相同条件下，50％负荷之Cs较l00％负荷时之Cs为大，其原因与前述之分析相同。而Ev值之提升将是改善Cs值的一良好利器，但Ev值之大小取决于供、回风口之型式、按装位置、楼板高度及室内格局等因素。一般办公室之Ev值约在0.5～0.65之间，若以此范围的Ev值为基准，则图中50％负荷时的Cs值将严重超出PM10污染浓度之设定值(150μg/m^3)。因此，我们须更进一步分析，结合Ev与Ef之影响，以改善Cs值。

　　图6即是运用上述Ev与Ef对Cs之分析结果，特别针对Cs值较高之情况，即50％负荷时绘出Ev与Ef对Cs之曲线关系，由图中可知；在Evㄒ0.7且选取Ef值大于0.5以上之滤网，方可达到要求之IAQ。若以Ev值在0.5～0.65范围内的办公室而言，唯有选用Efㄒ0.65之滤网，方可达到要求之室内空气品质。当然，由图4至图6可了解，影响Cs最重要之因素，首推Ev值。因此，如何将供风在室内作最佳之气流分布，遂成为维持IAQ成败之决定性因素之一。
　　由上述之探许可知；以一由办公室与研讨室所组成之建筑物而言，因办公室内常有隔间、堆积物品、及事务机器之设置等原因，其通风效益(Ev)值将较研讨室值为低。若以办公室之Ev值0.5～0.65而论，由图6可知选取Ef值为0.85的滤网，将可确保Cs 值均在设定值以内，维持良好之IAQ。
　　依据VR程序以每人2Ocfm/人作为换气量标准时，须在其它假设条件配合下才能满足IAQ要求，例如，供风在室内须为完全混合(EV＝l)，外气须符合环境空气品质规范，与使用全外气等条件。但是在实际便用情况与室内空调装置而言，无法都满足这些假设条件，因此唯有藉助先对外气作净化处理与增加再循环回风量以因应之。由上述讨论可得知；仅靠提升每人所需换气量来改善IAQ问题，其效果并不十分显著，最主要的原因是一般办公室约35～50％比例的供风是尚未送达室内即旁通流入回风管路中，因此，唯有先改善通风效益值才是提升IAQ较佳的途径之一。为了了解国内建筑之室内空气品质现况，工业技术研究院能源与资源研究所于民国82年4月选定新竹、台北二地共四栋建筑作检测，其中由台北?忠孝东路四段，建筑S12办公室连续三日之室内空气品质监测记录(参见图7.8显示：二氧化碳与甲 (formaldehyde)值均已超过国外标准上限值甚多，室内二氧化碳浓度曾有超过3,000ppm的记录，甲醛8小时(上班时段)平均浓度为0.3918ppm，较世界健康组织(WHO)所设定之上限值(连续8小时＜O.1ppm)高出近3倍强。探究其原因，乃是换气量不足、楼板高度过低使得通风效益值成效不彰所致，唯有加大换气量，改进出风口设计与位置，才是提升室内空气品质较直接、简易的方法。另外，若考虑台湾外气湿热的气候特性，以空调节能的观点而言，不论选用何种程序来维护室内空气品质，空调换气全热回收装置的利用，将是节省耗能的一大利器，因此IAQ程序再配合换气全热回收系统之应用，不但可提升室内空气品质，而且也可达到节能效果。 

责任编辑：JJSKT